原位生長鈣鈦礦晶片實現(xiàn)高效直接X射線探測及掃描成像

近日，中國科學院深圳先進技術研究院先進材料科學與工程研究所研究員喻學鋒、副研究員劉延亮團隊與生物醫(yī)學與健康工程研究所研究員葛永帥團隊合作，在Advanced Science期刊上，在線發(fā)表了題為PbI2-DMSO Assisted In-situ Growth of Perovskite Wafer for Sensitive Direct X-ray Detector的研究論文。該研究聚焦鈣鈦礦直接型X射線探測器中鈣鈦礦晶片材料缺陷密度高、載流子傳輸效率低的科學問題，原創(chuàng)性地開發(fā)出鈣鈦礦晶體的原位生長技術，提高了鈣鈦礦晶片的光電性能，實現(xiàn)了高效直接X射線探測及掃描成像。該工作為制備高靈敏、高分辨直接X射線探測器提供了新的技術路線，并有望應用于未來高端醫(yī)療影像診斷和芯片無損檢測等領域。

X射線探測在醫(yī)學診療、安防檢查、工業(yè)無損檢測等領域應用廣泛。然而，目前商用的閃爍體間接X射線探測器存在二次光電轉化效率低、可見光色散等問題，導致探測靈敏度低、輻射劑量高、空間分辨率差，無法滿足高端醫(yī)學影像、芯片檢測等領域的需求。相比之下，基于半導體材料的直接X射線探測器可通過一次光電轉換，直接將X射線轉換成電信號，具有更高的光電轉換效率、探測靈敏度和空間分辨率。然而，當前常用的直接X射線探測半導體材料面臨對X射線吸收弱（硅、非晶硒）、熱穩(wěn)定性差（非晶硒）、造價高昂（碲化鎘、碲鋅鎘）等問題，限制了其推廣應用。因此，發(fā)展新型高效半導體光電轉換材料是直接X射線成像探測器走向應用的關鍵。

近年來，金屬鹵化物鈣鈦礦半導體憑借優(yōu)異的本征性能，如重原子X光吸收、載流子遷移率高和壽命長等，在直接X射線探測領域備受關注。鈣鈦礦材料對X射線的探測靈敏度可達100000 μC Gyair?1cm?2，優(yōu)于商用的硅、非晶硒、碲鋅鎘。研究顯示，通過簡單等靜壓方法制備的鈣鈦礦晶片，尺寸和厚度可控，適用于直接X射線檢測。然而，鈣鈦礦晶片面臨晶體生長不完全、電荷缺陷密度高的問題，影響X射線探測器的效率和工作穩(wěn)定性。

本研究從提升鈣鈦礦結晶度、降低鈣鈦礦晶片缺陷密度出發(fā)，創(chuàng)新性地開發(fā)了PbI2-DMSO固體添加劑，促進了厚鈣鈦礦晶片的原位再生長，提高了材料的結晶度，降低了缺陷密度，提高了載流子遷移率和壽命。該研究通過減緩鈣鈦礦的結晶過程，降低成核密度形成連續(xù)的大晶粒鈣鈦礦晶片，進一步促進器件表面晶界融合、提高電荷傳輸性能，從而獲得高效鈣鈦礦直接X射線探測器。探測器靈敏度可達1.58×10?μC Gyair?1cm?2，最低可探測劑量可達410 nGyair s?1，同時，采用平面掃描的方式，實現(xiàn)了高清X射線探測成像。該工作為鈣鈦礦材料開拓了新的應用方向，并為高質量鈣鈦礦晶片的制備提供了有效策略，頗具科學價值和應用價值。

原位生長鈣鈦礦晶片用于高靈敏直接X射線探測

X射線探測掃描成像

研究工作得到國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金青年科學基金項目、中科院青年創(chuàng)新促進會、深圳市等的支持。

審核編輯：郭婷